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2009-04-30 15:08:48

问题

当 Linux 内核启动系统时,它必须找到并执行第一个用户程序,通常是 init。用户程序存在于文件系统,故 Linux 内核必须找到并挂载上第一个(根)文件系统,方能成功开机。
通常,可用的文件系统都列在 /etc/fstab,所以 mount 可以找到它们。但 /etc/fstab 它本身就是一个文件,存在于文件系统中。找到第一个文件系统成为鸡生蛋蛋生鸡的问题,而且为了解决它,内核开发者建立内核命令列选项 root=,用来指定 root 文件系统存在于哪个设备上。

十五年前,root= 很容易解释。它可以是软盘或硬盘上的分区。如今 root 文件系统可以存在于各种不同类型的硬件(SCSI, SATA, flash MTD) ,或是由不同类型硬件所建立的 RAID 上。它的位置随着不同启动而不同,像可热插拔的 USB 设备被插到有多个 USB 孔的系统上 - 当有多个 USB 设备时,哪一个是正确的?root 文件系统也可能被压缩(如何?),被加密(用什么 keys?),或 loopback 挂载(哪里?)。它甚至可以存在外部的网络服务器,需要内核去取得 DHCP 地址,完成 DNS lookup,并登入到远程服务器(需账号及密码),全部都在内核可以找到并执行第一个 userspace 程序之前。

如今,root= 已没有足够的信息。即使将所有特殊案例的行为都放进内核也无法帮助设备列举,加密,或网络登入这些随着系统不同而不同的系统。更糟的是,替核心加入这些复杂的工作,就像是用汇编语言写 web 软件 :可以做到,但使用适当的工具会更容易完成。核心是被设计成服从命令,而不是给命令。

为了这个不断增加复杂度的工作, 核心开发者决定去寻求更好的方法来解决这整个问题。

解决方法

Linux 2.6 核心将一个小的 ram-based initial root filesystem(initramfs) 包进内核,且若这个文件系统包含一个程序 init,核心会将它当作第一个程序执行。此时,找寻其它文件系统并执行其它程序已不再是内核的问题,而是新程序的工作。

initramfs 的内容不需是一般功能。若给定系统的 root 文件系统存在于一个加密过的网络块设备,且网络地址、登入、加密都存在 USB 设备 "larry" (需密码方能存取)里,系统的 initramfs 可以有特殊功能的程序,它知道这些事,并使这可以运作。

对系统而言,不需要很大的 root 文件系统,也不需要寻址或切换到任何其它 root 文件系统。
这跟 initrd 有何不同?

Linux kernel 已经有方法提供 ram-based root filesystem,initrd 机制。对 2.4 及更早的 kernel 来说,initrd 仍然是唯一的方法去做这一连串的事。但 kernel 开发者选择在 2.6 实现一个新的机制是有原因的。

ramdisk vs ramfs

ramdisk (如 initrd) 是 基于ram的块设备,这表明它是一块固定大小的内存,它可以被格式化及挂载,就像磁盘一样。这表明 ramdisk 的内容需先格式化并用特殊的工具(像是 mke2fs 及 losetup)做前置作业,而且如同所有的块设备,它需要文件系统驱动程序在执行时期解释数据。这也有人工的大小限制不论是浪费空间(若 ramdisk 没有满,已被占用的额外的内存也不能用来做其它事)或容量限制(若 ramdisk 满了,但其它仍有闲置的内存,也不能不经由重新格式化将它扩展)。

但 ramdisk 由于缓冲机制(caching)实际上浪费了更多内存。Linux 被设计为将所有的文件及目录做缓存,不论是对块设备的读出或写入,所以 Linux 复制数据到 ramdisk及从 ramdisk 复制数据出来,page cache 给 file data 用,而 dentry cache 给目录用。ramdisk 的下面则伪装为块设备。

几年前,Linus Torvalds 有一个巧妙的想法:Linux 的缓存是否可以被挂载一个文件系统?只要保持文件在缓存中且不要将它们清除,直到它们被删除或系统重新启动?Linus 写了一小段程序将缓存包起来,称它为 ramfs,而其它的 kernel 开发者建立一个加强版本称为 tmpfs(它可以写数据到 swap,及限制挂载点的大小,所以在它消耗完所有可用的内存前它会填满)。initramfs 就是 tmpfs 的一个实例。
这些基于ram的文件系统自己改变大小以符合数据所需的大小。增加文件到 ramfs(或增大原有的文件)会自动配置更多的内存,并删除或截去文件以释放内存。在块设备及缓存间没有复制动作,因为没有实际的块设备。在缓存中的只是数据的复制。更好的是这并不是新的程序代码,而是已存在的 Linux 缓存程序代码新的应用,这表示它几乎没有增加大小,非常简单,且基于已经历测试的基础上。

系统使用 initramfs 作为它的 root 文件系统甚至不需要将文件系统驱动程序内建到 kernel,因为没有块设备要用来做文件服务器。只是存在内存中的文件罢了。

initrd vs initramfs

底层架构的改变是 kernel 开发者建立一个新的实现的理由,但当他们在那里时他们清除了很多不好的行为及假设。
initrd 被设计为旧的 root= 的 root 设备检测程序代码的前端,而不是取代它。它执行 /linuxrc,这被用来完成设定功能(像是登入网络,决定哪个设备含有 root 分区,或用文件做为 loopback 设备),告诉 kernel 哪个块设备含有真的 root 设备(通过写入de_t 数据到 /proc/sys/kernel/real-root-dev),且回传给 kernel,所以 kernel 可以挂载真的 root 设备及执行真的 init 程序。

这里假设“真的根设备”是块设备而不是网络共享的,同时也假设 initrd 自己不是做为真的 root 文件系统。kernel 也不会执行 /linuxrc 而做为特殊的进程(ID=1),因为这个 process ID(它有特殊的属性,像是做为唯一无法被以 kill -9 的 process) 被保留给 init,kernel 在它挂载真的 root 文件系统后会等它执行。

用 initramfs,kernel 开发者移除所有的假设。当 kernel 启动了在 initramfs 外的 /init,kernel 即做好决定并回去等待接受命令。用 initramfs,kernel 不需要关心真的 root 档案系统在哪里,而在 initramfs 的 /init 被执行为真的 init,以 PID 1。(若 initramfs 的 init 需要不干涉特别的 PID 给其它程序,它可以用 exec() 系统呼叫,就像其它人一样)

总结

传统的 root= kernel 命令列选项仍然被支持且可用。但在开发支持initial RAM disk支持内核时,提供了许多优化和灵活性。

译者注

  1. 查看initramfs的内容 # mkdir initrd
    # cd intrd
    # cp /boot/initrd.img initrd.img
    # gunzip initrd.img
    # cpio -i --make-directories < initrd.img
    #
  2. 创建initramfs
    1. mkinitramf # mkinitramfs -o /boot/initrd.img 2.6.2
      Note: 2.6.25是需要创建initramfs的kernel版本号,如果是给当前kernel制作initramfs,可以用uname -r查看当前的版本号。提供kernel版本号的主要目的是为了在initramfs中添加指定kernel的驱动模块。mkinitramfs会把/lib/modules/${kernel_version}/ 目录下的一些启动会用到的模块添加到initramfs中。
    2. update-initramfs 更新当前kernel的initramfs
      # update-initramfs -u
      在添加模块时,initramfs tools只会添加一些必要模块,用户可以通过在/etc/initramfs-tools/modules文件中加入模块名称来指定必须添加的模块。
    命令:mkinitramfs, update-initramfs
  3. mkinitcpio
    在Arch Linux中,有一个新一代的initramfs制作工具。相对于老的mkinitrd和mkinitramfs,它有以下很多优点。查看详细《使用mkinitcpio》。
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